Diseño de Sistemas de Concreto para Contención de Líquidos
Diseño de Sistemas de Concreto para Contención de Tierra y Líquidos Profesor: Diego g Villagómez g M.
PUCP 2014
Profesor del curso Prof. Diego Villagómez Molero Ingeniero g Civil – PUCP Ingeniero Estructural – Jefe de Proyectos y del Área de Innovación de PRISMA INGENIEROS SAC. E-mail:
[email protected] dvillagomez@pucp edu pe
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Bibliografía Rivera F., Julio. 2001. Análisis y Diseño de R Reservorios i d de C Concreto t A Armado. d Li Lima: ACI ACI-UNI.. UNI Munshi Javeed A., A Sherman William C C. Reinforced Concrete Tanks. Gray, W.S., Manning, G.P. 1973. Concrete Water T Towers, Bunkers, B k Silos Sil and dO Other h El Elevated d Structure, 5ta. Edición. Londres: Cement and Concrete Association Association.. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION. 1993. Circular Concrete Tanks Without Prestressing Prestressing,, 1 Edición 1ra. Edi ió . E.E.U.U.: Edición. E E U U PCA PCA.. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C. 1992. Estructuras Sanitarias de Concreto para el Mejoramiento del Ambiente, 1ra. Edición. México: Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto A Concreto, A.C. C Luque Salvador E. 1997. Diseño de un Tanque Elevado Tipo Intze de 1500 m3 de Capacidad con Estructura Portante de Fuste Cilíndrico. Lima: Tesis PUCP. PUCP. Diego Villagómez M. 2009. Reservorios Tipo Intze para el Sistema de Agua Potable en Iquitos. Lima: Tesis PUCP. PUCP. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Capítulo 1
Introducción
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Reservorios según el material: Water Towers of the World
Water Towers of the World School of Engineering, University of Warwick
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Reservorios según lo que almacenan: Montajes Técnicos Escazu S.A.
Engineering Services
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Reservorios según su ubicación respecto al terreno:
Diario El Patagònico
C it l W Capital Waterworks t k
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Ventajas y desventajas del CoAo como material: Ventajas: - Su mantenimiento es menor p por lo q que a la larga g son más económicas. - El concreto armado tiene una mayor capacidad de resistir cargas y, por ende, el reservorio podría ser más grande y almacenar un volumen mayor. - En nuestro medio existe mano de obra calificada y procesos constructivos adecuados que hacen posible que la construcción no sea complicada. - Es más durable en ambientes agresivos ya que hay un mejor control de la corrosión ya que el concreto protege al acero de refuerzo. Desventajas: - A diferencia de los reservorios metálicos y de aluminio aluminio, el costo de construcción es mayor y la detección y control de fugas de agua es más complicado. - No es posible el desmontaje de la estructura estructura, por lo que el porcentaje de recuperación es casi nulo. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Objetivos • Estudiar el comportamiento de los reservorios de almacenamientos de líquidos. • Capacitar para el diseño estructural de los reservorios de almacenamientos almacenamientos.
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Ejemplos a desarrollar • Un reservorio circular de almacenamiento de agua potable ubicado en la ciudad de Lima. • Debido a requerimientos hidráulicos, tienen un volumen de 2000 m3 m3, de 20 m de diámetro y una altura de 7.00 metros. • El estudio de mecánica de suelos consideró un suelo de perfil tipo S2 S2, con un periodo Tp = 0.6 s y factor de suelo S=1.2. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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• Un tanque de cloración perteneciente a una planta de tratamiento de aguas g residuales ubicado en la ciudad de Lima. • Debido a requerimientos hid á li hidráulicos, titienen un volumen l de 950 m3, dimensiones en planta de 15 x 25 m y una altura p de 3.00 metros. • El estudio de mecánica de suelos l consideró id ó un suelo l d de perfil tipo S3, con un periodo Tp = 0.9 s y factor de suelo S=1.4. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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• Un reservorio elevado tipo Intze ubicado en la ciudad de Iquitos. • Debido a requerimientos hidráulicos, tienen un volumen de 2000 m3 y una altura de 22 metros. t • El estudio de mecánica de suelos consideró un suelo de perfil tipo S2, con un periodo Tp = 0.6 s y factor de suelo S=1.2. S=1.2.
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Capítulo 2
Consideraciones Especiales para el Diseño en Concreto Armado de R Reservorios i
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Normas internacionales • ACI 350350-06, Code Requirements q for Environmental Engineering Concrete Structures.. Structures • ACI 371371-98, Guide for the Analysis Analysis,, Design, Design, and Construction of Concrete Concrete--Pedestal Water Towers.. Towers • ACI 307307-98, Design g and Construction of Reinforced Concrete Chimneys Chimneys..
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Calidad del Concreto:
R Requisitos i it para condiciones di i d de exposición i ió especiales i l (ACI 350-06, tabla 4.2.2). “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Factor de Durabilidad (ACI 350350-06): φ Resistencia nominal requerida = Factor de durabilidad x (α CM + β CV + …) Sd = ϕ fy ≥ 1 1.0 0 γ fs
γ = wu ws
Sd (comp) = 1.00 1 00
Valores para fs. Para cortante: φ VS = Factor de durabilidad . [(α VCM + β VCV + …) - φ VC] “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Factor de Durabilidad (ACI 350350-01): φ Resistencia nominal requerida = Factor de durabilidad x (α CM + β CV + …)
Valores para el factor de durabilidad. φ VS = Factor de durabilidad . [(α VCM + β VCV + …) - φ VC] donde el factor de durabilidad es 1 1.30. 30 “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Control de la Fisuración por flexión: b
d
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Control de la Fisuración por tracción:
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Espesores, Armaduras y Recubrimientos Mínimos: • Espesor mínimo de muros 15 cm ó 20 cm (para tener 5cm de recubrimiento) recubrimiento). • Altura de muro mayor a 3.00m => 30 cm mínimo de espesor ((para reservorios rectangulares). g ) • Separación máxima de refuerzo = 30 cm. Mínimo usar varilla de ½”.
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Espesores, Armaduras y Recubrimientos Mínimos:
Cuantías mínimas de acero de refuerzo p por contracción y temperatura (ACI 350, tabla 7.12.2.1). “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Espesores, Armaduras y Recubrimientos Mínimos:
Recubrimientos mínimos de concreto p para el refuerzo (adaptado del ACI 350-06, capítulo 7.7.1). “Diplomatura en Diseño Estructural”
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PICASA Álbumes Web
Manejo de Juntas de Construcción:
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Manejo de Juntas de Construcción: Junta de Dilatación
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Manejo de Juntas de Construcción: Junta de Contracción Total
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Manejo de Juntas de Construcción: Junta de Construcción
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Consideraciones Especiales para Estructuras de Soporte
Espesor y Armaduras Mínimas: • Espesor mínimo es de 20 cm. • Cuantía mínima depende de la aceleración espectral asociada a un periodo de un segundo, representado por el coeficiente Av.
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Consideraciones Especiales para Estructuras de Soporte
Valores de Av y Sa(T=1).
Refuerzo mínimo requerido (ACI 371-98, tabla 4.8.2). “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Consideraciones Especiales para Estructuras de Soporte
Refuerzo en Aberturas:
As h 0.06 f ' c .t.l ≥ 2 fy
As d = 0.508.t
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Capítulo 3
Análisis por Solicitaciones de Gravedad
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Estructura Laminar: t << otras dimensiones
• Membrana. M b • Placa. • Cáscara. “Diplomatura en Diseño Estructural”
blogs.levante-emv.com
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Membrana
noticiasvirgi.files.wordpress.com
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Placa
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Cáscara
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Reservorio Circular
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Tanque rectangular
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Reservorio Elevado tipo lntze
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Solicitaciones estáticas
Peso propio
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Presión hidrostática
Sobrecarga
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Peso propio
Presión hidrostática
Sobrecarga
Deformación debido a cargas estáticas.
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Cálculo de las Dimensiones de la Cubierta
f
D
Gráfico para el cálculo de las dimensiones óptimas de una cúpula (ACI SP-28). “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Predimensionamiento de Espesores • Análisis por esfuerzos de membrana. • Bajo cargas de servicio. servicio • Esfuerzo admisible en tracción (ft) = 10% de f’c (para cáscaras y anillos)) (p • Esfuerzo admisible en compresión (f (fc) = 45% de f’c (sólo para cáscaras) • Esfuerzo admisible en compresión (f (fca) = 30% de f’c (sólo para anillos)
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Predimensionamiento de Espesores Cubierta:
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Predimensionamiento de Espesores Cubierta:
Expresiones para el predimensionamiento de la cubierta esfèrica.
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Predimensionamiento de Espesores Paredes Cilíndricas:
• Cálculo del espesor : e PC
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Ta = ft
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Predimensionamiento de Espesores Fuste Cilíndrico: • Diseño gobernado por solicitaciones sísmicas. • Se recomienda espesores de 20 a 30 cm.
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Modelo de Elementos Finitos • Estructura continua => Modelo de Elementos Finitos (MEF). • Elementos Finitos (EF): ( ) pequeñas partes unidas en sus nodos. • Conjunto de elementos finitos = Malla de EF
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Construcción del Modelo Representación de las Solicitaciones Estáticas: • El peso propio de las cáscaras y anillos queda definido por: - el peso específico del material - el espesor p p para el caso de las cáscaras y la sección transversal para el caso de los anillos. • Sobrecarga (carga por unidad de área).
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Construcción del Modelo Representación de las Solicitaciones Estáticas: • La presión hidrostática , que varía linealmente con la altura del líquido sobre el punto en estudio y con el peso específico del líquido líquido.
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γL
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Capítulo 4
Análisis por Solicitaciones Sísmicas
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Comportamiento Dinámico
• Masa convectiva • Masa impulsiva “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Sistema mecánico equivalente (Graham y Rodríguez, 1952).
Sistema mecánico equivalente simplificado (Housner, 1963). “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Modos de Vibración del Sistema
Modo convectivo
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Modo impulsivo
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Modos de Vibración del Sistema Mecánico
Modo convectivo
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Modo impulsivo
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Normas internacionales • ACI 350.3350.3-06, Seismic Design g of LiquidLiquid q Containing Concrete Structures. Structures. • API Standard 650, 650, Welded Tanks for Oil Storage.. Storage • EUROCODIGO U OCO GO 8, Disposiciones p p para el Proyecto de Estructuras Sismorresistentes Sismorresistentes.. • International Building Code (IBC 2009). 2009).
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Cálculo de las Masas Convectiva e Impulsiva
Expresiones para el cálculo de la masa impulsiva y convectiva.
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Cálculo de Ubicación de Masas Convectiva e Impulsiva
Ubicación de la masa impulsiva y la masa convectiva considerando sólo la presión en las paredes.
Expresiones para el cálculo de hi/HL y hc/HL. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Cálculo de Ubicación de Masas Convectiva e Impulsiva
Ubicación de la masa impulsiva considerando la presión en las paredes y losa de fondo.
Ubi Ubicación ió d de lla masa convectiva ti considerando id d lla presión ió en las paredes y losa de fondo. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Cálculo de Ubicación de Masas Convectiva e Impulsiva
Expresiones para el cálculo de h’i/HL y h’c/HL.
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Cálculo de los Periodos Convectivo e Impulsivo p Periodo convectivo Tc:
Periodo impulsivo Ti: T=2π T=2 π(M’/K’)^½
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Cálculo de la ubicación del borde superior p “Freeboard Freeboard”: ”:
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas • Por fuerzas o presiones estáticas equivalentes Método Estático • Por espectro de pseudo pseudo--aceleración - Método Dinámico. • De acuerdo a E.030, la sismicidad local es representada p p por los factores Z, S, U, C y R. • ACI 350.3 350.3--06: 5% de amortiguamiento para modo impulsivo y 0.5% para el convectivo convectivo..
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas ACI 350.3 350.3--06:
Factor de Reducción R
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas
Espectro de diseño
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Representación de ls Solicitaciones Sísmicas
Método Estático:
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Representación de ls Solicitaciones Sísmicas
Método Estático:
Wr Pr = ZUCi S × Ri
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Representación de ls Solicitaciones Sísmicas Representación de las Solicitaciones Sísmicas en modelo (Método Estático):
Representación de la fuerza de inercia de las paredes cilíndricas, cilíndricas fondo troncocónico y fuste cilíndrico “Diplomatura en Diseño Estructural”
Representación de la fuerza de inercia de la cubierta y del fondo esférico
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas
Método Estático: Pi = ZUCi S ×
Wi Ri
Pc = ZUC c S ×
Wc Rc
Diagramas de Di d presiones i (distribución (di t ib ió vertical) ti l) Debido a masas convectiva e impulsiva. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas
Método Estático:
Fuerzas por unidad de longitud vertical (diagramas equivalentes) Debido a masas convectiva e impulsiva.
Fuerzas por unidad de longitud vertical Pcy y Piy. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas
Método Estático:
Distribución de presiones en reservorios rectangulares en planta. Debido a masas convectiva e impulsiva.
Presiones en reservorios rectangulares. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas
Método Estático:
Distribución de presiones en reservorios circulares en planta. Debido a masas convectiva e impulsiva.
Presiones en reservorios circulares. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas Representación de las Solicitaciones Sísmicas en modelo (Método Estático):
Zonas de fuerzas por unidad de área constantes para representar las presiones debidas a la masa convectiva e impulsiva.
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas
Método Dinámico:
Espectro de pseudo-aceleración de diseño para el caso de un reservorio elevado l d ubicado bi d en lla zona sísmica í i 3 y en un perfil fil d de suelo l titipo S1 S1. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas
Método Dinámico:
⎛ 2π k c = M c .⎜⎜ ⎝ Tc
⎞ ⎟⎟ ⎠
2
Modelo Dinámico Equivalente de un Reservorio Elevado Elevado. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas Representación de las Solicitaciones Sísmicas (Método Dinámico): • El modelo debe reflejar la masa y rigidez de los elementos que conforman a la estructura. • La masa impulsiva es asignada a las paredes de la cuba como una masa por unidad de área.
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas Representación de las Solicitaciones Sísmicas (Método Dinámico): • Para la masa convectiva es necesario crear un grupo de nodos entre los cuales se distribuye y esta masa.
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Representación de las Solicitaciones Sísmicas Representación de las Solicitaciones Sísmicas (Método Dinámico): • Con el modelo dinámico equivalente y el espectro de pseudo--aceleración de diseño se determinan los pseudo desplazamientos y las fuerzas internas de la estructura usando procedimientos de superposición espectral. • La superposición modal recomendada es la media cuadrática de los valores individuales (Raíz Cuadrada de la Suma de Cuadrados) Cuadrados). • En los programas de computación debe ingresarse el espectro de diseño de pseudo pseudo--aceleración como una función espectral. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Capítulo 5
Fuerzas Internas
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Análisis de la Superestructura Fuerzas Internas:
Fuerza Nθ
Fuerza Mϕ
Fuerzas internas en la cubierta y en las paredes cilíndricas. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Resultados del Análisis Fuerzas y Momentos de Diseño:
Fuerza Nθ (ton / m) debida a la envolvente de diseño
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Momento Mϕ (ton.m / m) debido a la envolvente de diseño
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Análisis de la Superestructura Fuerzas Internas:
Fuerzas internas en el fuste.
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Capítulo 6
Análisis de la Cimentación
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Análisis de la Cimentación Representación de las Condiciones de Apoyo:
Modelo del suelo con comportamiento elástico.
Representación de los pilotes. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Análisis de la Cimentación Representación de la Zapata :
δ (Asentamiento)
ks.δ (Presión)
Análisis de zapata flexible en cimentaciones superficiales.
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Modelo de la zapata flexible en cimentaciones superficiales.
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Análisis de la Cimentación Representación de la Zapata :
Análisis de zapata flexible en cimentaciones profundas.
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Modelo de la zapata flexible en cimentaciones profundas.
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Análisis de la Cimentación Representación de la Zapata :
δ (Asentamiento)
ks.δ (Presión)
Análisis de zapata rígida en cimentaciones superficiales. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Análisis de la Cimentación Representación de la Zapata :
Análisis de zapata rígida en cimentaciones profundas.
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Análisis de la Cimentación Cimentación Superficial:
Modelo para el análisis de la zapata
Momento Mθ (ton.m / m)debido a la envolvente de diseño. “Diplomatura en Diseño Estructural”
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Análisis de la Cimentación Cimentación Profunda:
Modelo para el análisis de los pilotes y de la zapata
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Fuerzas actuantes en los pilotes
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Análisis de la Cimentación Cimentación Profunda:
Momento Mθ (ton.m / m) debido a la envolvente de diseño.
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Gracias. “Diplomatura en Diseño Estructural”
